2. Обзор литературы

2.1. Катионообменники, структура и свойства

Не только тем, кто не имеет профессионального химического образования, но и многим химикам ионообменники кажутся сравнительно редким классом соединений. Между тем, можно утверждать, что ионообменники являются самым распространенным классом химических соединений, заполняющим практически всю поверхность земли. В 1845 г. английский землевладелец Г. Томпсон предпринял попытку изучить поглощающую способность минеральных удобрений почвами. В работе ему помог фармацевт И. Спенс, изготовивший стеклянную колонку, заполнивший ее почвой и пропускавший через нее сульфат аммония, который был одним из первых использован в качестве удобрения, вскоре после того как в 1840 г. Ю. Либиг предложил минеральную теорию питания растений. Эксперименты, которые провел И. Спенс, были непонятны, так как удерживались почвой только катионы аммония. Результаты исследования были переданы профессору агрохимии Т. Уэю. Он повторил работу и дал в терминах того времени правильную интерпретацию как обмена основаниями между почвой и раствором минерального удобрения. Позже этот термин был заменен ионным обменом, а для данного конкретного случая катионным обменом. Работы по исследованию ионного обмена были продолжены геохимиками и в 1870 г. И. Лемберг установил стехиометричность ионного обмена при исследовании горных пород и минералов. К этому времени было установлено, что целлиты, глаукониты, каолиниты, апатиты и многие другие природные вещества имеют высокую обменную способность. Было начато использование природных ионообменников для очистки растворов, и это направление продолжает развиваться до настоящего времени.

Синтетические полимерные ионообменники были открыты и случайно, и не случайно. В 1935 г. английские исследователи Б. Адамс и Е. Холмс проводили измерения обменной емкости природных ионообменников, а в перерыве слушали музыку и нечаянно разбили граммофонную пластинку. Любопытства ради они измерили ее обменную емкость, установили наличие высокой величины, опубликовали результаты и взяли патенты Великобритании и США. Причина была в том, что граммофонные пластины в те времена изготавливали из фенолформальдегидной смолы, содержащей в каждом элементарном звене оксигруппу, которая позволяла обменивать водородные ионы на минеральные ионы. В 1936 г. Г. Штаудингер впервые изготовил трехмерный полистирол, сшивая цепи линейного полистирола дивинилбензолом. Впоследствии за цикл проведенных работ в области синтеза полимеров он был удостоен Нобелевской премии. В 1945 г. Г. Д’Алелио сульфировал трехмерный полистирол и получил самый распространенный в настоящее время сильнокислотный катионообменник. Схема синтеза показана на рис. 1.

Р и с. 1. Схема синтеза сульфокислотного катионообменника .

3. Объекты и методы исследования

3.1. Ионообменные мембраны и их свойства

В работе были использованы гетерогенные ионообменные мембраны марок МК-40 и МА-41 производства ОАО «Щекиноазот». Основные характеристики применяемых мембран представлены в таблице 1.

Таблица 1. Паспортные характеристики мембран МК-40 и МА-41.

Показатель	МК-40	МА-41
Марка ионита	КУ-2	АВ-17
Функциональные группы	-SO3^-	-N^+R3
Полная обменная емкость по 0,1 М HCl (NaOH), мг-экв/г	2,6	2,0
Удельное электросопротивление в 0,6 М NaCl, Ом∙см	220	350
Влагосодержание, %	40±5	40±5
Толщина в набухшем состоянии, мм	0,50	0,50
Толщина сухой мембраны, мм	0,35	0,35
Число переноса в 0,01/0,2 М NaCl	0,98	0,96

Мембрана марки МК-40 приготовлена из композиции катионообменника КУ-2 (2/3) и полиэтилена горячей прессовкой с армирующей тканью из лавсана. Сильнокислотный сульфокатионообменник КУ-2, это гелевый ионообменник, получаемый сульфированием сополимера стирола и дивинилбензола. Структура элементарного звена катионообменника КУ-2 представлена на рис 2.1.

Рис. 2. Структура элементарного звена сульфокатионообменника на основе полистирола.

Элементарной ионогенной группой является сульфогруппа, присоединенная к бензольному кольцу в пара-положении. В ионогенной группе различают фиксированный отрицательный ион SO₃^-, который прочными ковалентными связями прикреплен к матрице полимера, и подвижный противоион, который может быть обменен на любой другой катион.

Анионообменная мембрана МА-41 изготавливается из композиции анионообменника АВ-17 (2/3) и полиэтилена. Высокоосновный ионообменник АВ-17 получают хлорметилированием сополимера стирола с дивинилбензолом с последующим аминированием триметиламином. Этот анионообменник имеет гелевую структуру и содержит только один вид ионогенных групп – бензилтриметиламмониевые.

Р и с. 3. Элементарное звено высокоосновного анионообменника АВ-17.